雷天豐， 黃 勇， 趙亞東， 李 驍

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引 言

目前應(yīng)用于鐵塔形變的自動監(jiān)測系統(tǒng)一般采用的方法是全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)定位技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、高分辨率合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar,SAR)衛(wèi)星監(jiān)測等系統(tǒng)，但這些方法都存在精度不高，算法復(fù)雜，或者是定位時間較長等缺點(diǎn)[1～4]?，F(xiàn)有的另一種用于定位的為射頻識別(radio frequency identification,RFID)定位技術(shù)[5～7]，其一般是使用無源標(biāo)簽用于室內(nèi)的定位，而在室外的應(yīng)用還比較匱乏，因此,在本文采用RFID的有源標(biāo)簽在室外完成定位，同時使用相位差技術(shù)使得精度得到進(jìn)一步的提高，更加實(shí)時準(zhǔn)確地計(jì)算出鐵塔關(guān)鍵部分的坐標(biāo)，保證形變量的監(jiān)測更加準(zhǔn)確高效。

1 形變監(jiān)測系統(tǒng)組成與原理

1.1 系統(tǒng)工作原理

在RFID定位系統(tǒng)中，最簡單的組成包括標(biāo)簽、讀寫器、天線三部分。為了保證系統(tǒng)具有更加穩(wěn)定和高效的處理能力，在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將讀寫器換成了軟件定義無線電(software defined radio,SDR)系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，有源標(biāo)簽不斷發(fā)射信號，接收天線接收信號后送入軟件無線電平臺，在經(jīng)過了一系列的處理后，最終將有效信息送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行最后的定位運(yùn)算以及形變的監(jiān)測。

同時為了提高定位的精度，引入了GPS中的載波相位差分概念，通過求解信號到達(dá)兩個接收天線的相位差求距離差，再利用距離差公式求得信號發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)，完成定位操作。為了避免在GPS中存在的整周相位模糊情況，導(dǎo)致運(yùn)算量加大以及求解算法復(fù)雜，兩根接收天線在擺放時需要保證相位差在一個整周期內(nèi)，即兩者的距離差應(yīng)該在一個發(fā)射信號波長內(nèi)。

1.2 軟件無線電平臺

本文設(shè)計(jì)選擇的是成都定為公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的U3主板，其上有兩塊現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)芯片，同時配套了FMC102AD/DA轉(zhuǎn)換板和CPCI射頻板，并且支持UDP協(xié)議，能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行繼續(xù)處理等操作。接收天線將接收信號送入CPCI射頻板卡后，會被處理成70 MHz中頻信號輸出，再將其經(jīng)過FMC102板卡進(jìn)行A/D采樣后送入U(xiǎn)3主板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于采樣后數(shù)據(jù)速率較高不利于數(shù)據(jù)的傳輸，因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行了混頻與抽取濾波處理，將得到的IQ信號通過UDP端口傳輸給PC端進(jìn)行繼續(xù)處理。由于送回的信號為IQ正交信號，求解相位時可直接使用IQ信號比值求反正切得到[8]。如圖1所示為整個形變監(jiān)測設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。

圖1 形變監(jiān)測結(jié)構(gòu)

1.3 定位對象的坐標(biāo)求解

圖2為單個發(fā)射點(diǎn)和所有接收天線的信號接收示意。

圖2 信號發(fā)射接收示意

在圖2中，P點(diǎn)為信號發(fā)射點(diǎn)，坐標(biāo)未知，A，B，C，D分別為分布在Y軸上的4根接收天線，其坐標(biāo)已知，設(shè)其坐標(biāo)分別為(0，a，0),(0，b，0),(0，c，0),(0，d，0)。 4根天線在接收到信號后，可以在兩兩之間找到3組獨(dú)立的信號到達(dá)相位差，求得對應(yīng)的距離差。設(shè)P點(diǎn)到AB，BC，CD之間的距離差分別為dab,dbc,dcd，則根據(jù)得到的距離差與距離差公式可得式(1)，求解該方程組即可解得P點(diǎn)坐標(biāo)

(1)

2 形變監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本文選擇需要監(jiān)測的鐵塔為貓頭塔，其高度約為42 m，根據(jù)查閱的資料[9]得到其最大位移點(diǎn)在頂端左右兩邊的地線懸掛點(diǎn)，且會達(dá)到幾十厘米，因此將兩個發(fā)射標(biāo)簽安放在此處，在地面的一條直線上均勻擺放4根接收天線。發(fā)射標(biāo)簽射頻芯片選擇CC1101，其為工作在低于1 GHz頻段的無線數(shù)傳芯片，最大輸出功率可達(dá)+10 dBm。選擇鐵塔塔基中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，輸電線方向?yàn)閥軸的方向，垂直輸電線的方向?yàn)閤軸方向，為了減小輸電線路對信號接收的影響，選擇xoy平面上∠xoy的平分線為天線的放置直線。其總體示意如圖3所示。

圖3 鐵塔形變監(jiān)測示意

P和M為兩個發(fā)射標(biāo)簽，采用分時發(fā)送的方式發(fā)射信號，信號發(fā)射頻率為915 MHz，每個標(biāo)簽的發(fā)射間隔為200 ms，每個標(biāo)簽發(fā)送信號時間約為84 ms，信號采用GFSK調(diào)制模式，數(shù)據(jù)速率為4 kbps，兩個標(biāo)簽發(fā)送時序如圖4。

圖4 標(biāo)簽信號發(fā)送時序

接收天線接收信號后送入軟件無線電平臺進(jìn)行降頻降速處理，最后將得到的采樣率為1 MHz的IQ信號通過UDP協(xié)議端口傳輸給PC端進(jìn)行繼續(xù)處理，通過計(jì)算相位差得到相鄰接收天線之間的距離差，再根據(jù)式(1)求得發(fā)射標(biāo)簽的坐標(biāo)。但由于在計(jì)算過程中會存在各種誤差以及信號在空中傳輸時受各種噪聲的影響，會導(dǎo)致式(1)出現(xiàn)無解的情況，因此在求解過程中采用了數(shù)值解法，使用了最優(yōu)化算法中的Levenberg-Marquardt算法，其同時具備了梯度法和牛頓法的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠保證更快更準(zhǔn)地得到式(1)的解。在整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成后，對其進(jìn)行了監(jiān)測模擬，隨意移動2個發(fā)射標(biāo)簽得到了實(shí)際的10組坐標(biāo)，再通過計(jì)算得到解算出來的10組坐標(biāo)，得到的結(jié)果如圖5所示，設(shè)兩個標(biāo)簽的各個測試點(diǎn)分別為P1～P11，M1～M11，計(jì)算出的2個標(biāo)簽分別到4根接收天線之間的距離差如表1所示。

圖5 2個標(biāo)簽實(shí)際與計(jì)算坐標(biāo)

圖5中實(shí)線連接的點(diǎn)表示的是在鐵塔形變過程中發(fā)射標(biāo)簽實(shí)際的坐標(biāo)與計(jì)算得到的坐標(biāo)。圖6分別為兩個標(biāo)簽在x,y,z軸3個方向的誤差，可以看出，兩個標(biāo)簽在x軸方向的誤差為-3.89～2.99 cm,-3.78～3.06 cm；在y軸方向的誤差為-5.09～4.62 cm,-5.26～5.32 cm；在z軸方向的誤差在-4.13～4.49 cm,-5.1～4.35 cm。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可得誤差均在5～6 cm范圍內(nèi)，能夠反映出鐵塔的形變量，保證整個系統(tǒng)的正常工作。

表1 2個標(biāo)簽到天線的計(jì)算距離差 cm

圖6 2個標(biāo)簽在各軸方向測量誤差

3 結(jié)束語

本文將RFID監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于電力鐵塔的形變系統(tǒng)之中，對整個系統(tǒng)的原理及組成進(jìn)行了簡單的介紹，同時對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的處理方式及算法進(jìn)行了簡單的敘述，從中可以看出,與傳統(tǒng)的采用GPS或者傳感器技術(shù)的系統(tǒng)相比，本文方法在數(shù)據(jù)處理及算法上會更簡單，精度也會進(jìn)一步提高。通過對整個系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析后，表明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以對電力鐵塔的形變量進(jìn)行監(jiān)測，滿足形變監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度要求。